REFRAKTORI sebagai Tugas Teknologi Bahan
DisusunOleh : Ichsan Putuwijoyo ( 092249 ) Mada Primadhana ( 090394 )
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYAS
Pengertian Refraktori Material refraktori sangat diperlukan untuk banyak industri proses. Material ini melapisi furnace, tundish, ladle dan sebagainya. Material ini juga digunakan sebagai Nozzle, Spout, dan Sliding Gate. Biaya untuk pembelian dan instalasi refraktori adalah faktor yang menentukan dalam biaya proses secara keseluruhan. Kegagalan (failure) material refraktori ketika digunakan dalam suatu proses dapat berarti suatu bencana. Material refraktori diharapkan dapat tahan terhadap temperatur tinggi, tahan terhadap korosi slag cair, logam cair dan gas-gas agresif, siklus termal (thermal cycling), tahan terhadap benturan dan abrasi dengan hanya sedikit perawatan. Banyak orang bekerja di Industri yang menggunakan refraktori tetapi hanya sedikit yang mengerti tentang material ini, sehingga pemborosan biaya tidak dapat dihindari. Refraktori
didefinisikan
sebagai
material
konstruksi
yang
mampu
mempertahankan bentuk dan kekuatannya pada temperatur sangat tinggi dibawah beberapa kondisi seperti tegangan mekanik (mechanical stress) dan serangan kimia (chemical attack) dari gas-gas panas, cairan atau leburan dan semi leburan dari gelas, logam atau slag. Dengan kata lain refraktori adalah material yang dapat mempertahankan sifatsifatnya yang berguna dalam kondisi yang sangat berat karena temperatur tinggi dan kontak dengan bahan-bahan yang korosif. Refraktori dibuat dari berbagai jenis material terutama keramik yang mana termasuk bahan-bahan seperti alumina, lempung (clay), magnesia, chromit, silicon karbida dan lain-lain. Refraktori digunakan untuk mengkonstruksi atau melapisi struktur yang berhubungan dengan temperatur tinggi, dari perapian sampai blast furnace. Untuk dapat melayani aplikasi yang diminta, refraktori memerlukan sifat-sifat tertentu. Sifat-sifat ini diantaranya titik lebur yang tinggi, kekuatan yang bagus pada temperatur tinggi, tahan terhadap degradasi, mudah dipasang, dan biaya masuk akal.
Material Bahan Baku Refraktori 1. Lempung (Clays) Lempung dari berbagai kelompok material terbentuk dari proses pelapukan batuan metamorphosis atau batuan beku. Material ini umumnya sangat halus dengan ukuran partikel kurang dari 2 mikron. Material yang menarik bagi pembuat (manufaktur) refraktori adalah yang mempunyai kandungan alumino-silikat yang tinggi. Kelompok refraktori ini biasanya mempunyai ketahanan yang bagus terhadap slag asam (acid slag). Secara umum property dari kelompok ini yaitu sebagai berikut:
Bagus sebagai material insulator.
Beberapa jenis mempunyai perilaku ekspansi yang kompleks, tetapi kebanyakan hanya mempunyai ekspansi panas yang kecil.
Kekuatan yang sedang pada temperatur tinggi, mengandung fasa gelas yang bertitik lebur rendah.
Ketahanan yang bagus terhadap slag asam (acid slag).
Ketahanan yang bagus terhadap kejut panas (thermal shock)
Tidak mahal dan mudah tersedia. Lempung adalah campuran dari beberapa mineral lempung, yang biasanya
juga mengandung jumlah yang bervariasi dari mineral bukan lempung. Lempung Cina (China Clay) atau Kaolin adalah jenis lempung yang mempunyai kandungan mineral utama berupa kaolinite. Mineral yang lain seperti kwarsa, feldspar dan mika. Lempung Bola (Ball clays) terdiri dari mineral utama kaolinite dan illite, dan sering juga mengandung sejulah tertentu bahan-bahan organic. Ukuran butiran dari ball clays biasanya lebih kecil dari pada China clay, selain itu juga mempunyai tingkat plastilitas yang tinggi serta kekuatan yang bagus bila kering. Jumlah illite yang besar di dalam material cenderung menurunkan titik lebur dari ball clays. Fire clay (lempung api) adalah ball clay dengan kandungan kaolinite yang tinggi dan kandungan illite yang rendah. Sebagai akibatnya, fire clay mempunyai titik
lebur yang tinggi untuk jenis lempung, oleh karena itu digunakan untuk aplikasi sebagai refraktori. Flint clays (lempung batu api) adalah lempung dengan kandungan silica yang tinggi, juga digunakan untuk aplikasi sebagai refraktori. Bata lempung (Brick clay) mempunyai rentang komposisi yang lebar, tetapi biasanya komposisi utamanya kaolinite atau illite. Selain itu juga mengandung mineral besi yang menghasilkan warna merah ketika dibakar. 2. Alumina Alumina untuk refraktori berasal dari deposit alami dan buatan. Sumbersumber alami terdiri dari Bauksite dan Diaspore. Sedangkan yang buatan terdiri dari Calcined Alumina, Sintered Alumina, dan Fused Alumina. Bauksit adalah bijih yang mengandung Boehmite (Al2O3.H2O) atau Gibbsite (Al2O3.3H2O) dalam proporsi yang bervariasi. Bauksit juga mengandung oksida besi, alumino-silikat dan titania. Bauksit yang kaya akan oksida besi dan pengotor lain dapat digunkan untuk membuat Calcined Alumina melalui proses Bayer atau untuk membuat logam alumunium. Bauksit yang langsung digunakan unuk membuat refraktori harus memiliki kandungan pengotor yang rendah. Segera setelah ditambang kemudian bauksit dikalsinasi di rotary kiln untuk penyetabilan. Komponen utama adalah corundum (alumina α) dengan sedikit Mullit dan sejumlah kecil fasa glas.
Gambar 1. Calcined Alumina
Diaspore adalah monohidrat alumina, membentuk corundum langsung selama pemanasan, sehingga hanya membutuhkan kalsinasi sebelum digunakan sebagai bahan baku refraktori. Calcined alumina dibuat dengan proses Bayer, beberapa grade tersedia dengan property yang sesuai dengan aplikasinya. Sintered Alumina dibuat dengan peletisasi (peletizing) calcined alumina, lalu disinterisasi pada temperature sangat tinggi (> 1800oC) di Rotary Kiln. Sintered pellet kemudian di remuk (crushing) yang akan menghasilkan alumina kualitas sangat tinggi dengan butiran kasar. Kadang-kadang juga disebut tabular alumina karena bentuk kristalnya yang besar menyerupai tablet. Kandungan mineral utama adalah alumina α dengan hanya sejumlah kecil sangat kecil (trace) alumina β (Na2O.11Al2O3). Fused Alumina dibuat dengan cara melebur calcined bauxite atau calcined alumina di electric Arc furnace (EAF). Material yang telah lebur tersebut lalu dicetak menjadi ingot dan kemudian diremuk. Terdapat beberapa jenis fused Alumina, yaitu:
Brown Fused Alumina yang terbuat dari bauksit, selama peleburan pengotorpengotor dipisahkan sehingga akan diperoleh kandungan alumina sebesar 94 97%, pengotor yang tersisa akan memberikan warna coklat.
White Fused Alumina yang terbuat dari calcined Alumina dan mengandung alumina sebesar > 99%, material ini bersifat sangat refraktori (> 1900oC), densitasnya tinggi dan tangguh, bila warnanya pink maka mengandung oksida Khrom sekitar 2%.
Gambar 2. White fused Alumina
Fused alumina mempunyai kristalisasi yang hamper sempurna sehingga membuatnya sangat stabil, oleh karena itu mempunyai kekuatan yang sangat bagus pada temperature tinggi dan ketahanan yang prima terhadap abrasi dan korosi. Properti umum yang dimiliki refraktori alumina adlah sebagai berikut:
Kekuatan yang tinggi pada temperatur tinggi.
Sangat keras.
Bersifat Amphoter, ketahanan korosi yang bagus terhadap berbagai variasi slag.
Konduktivitas panasnya lebih tinggi daripada kelompok alumino-silikat.
Kurang tahan terhadap kejut panas.
3. Silika Silika membentuk sekitar 60% dari lapisan kerak bumi, sehingga bahan baku untuk refraktori silica mudah tersedia. Sumber alaminya adalah kwarsa dan tanah diatomae. Pasir silica adalah bahan baku utama. Pasir dpat berasal dari pantai, lempung pasir, atau dibuat dengan meremuk batu pasir. Sedangkan tanah diatomae atau diatomit mengandung rangka-rangka silica dari alga bersel tunggal yang disebut diatom. Rangka-rangka tersebut tersusun dari silica hidrat dan silica amorf. Setelah dikalsinasi material bersifat sangat porous dan ringan sehingga bagus digunakan sebagi material insulator.
Gambar 3. Pasir Silika
Fused silica dibuat dengan melebur pasir murni, hampir sama dengan cara membuat fused alumina, dengan sedikit perbedaan yaitu disertai quenching terhadap material. Produknya bersifat amorf dan mempunyai ekspansi panas yang sangat rendah, sehingga volumenya sangat stabil. Akan tetapi material hanya dapat digunakan untuk periode yang panjang pada temperature sampai 1200oC, ketika itu material gelas akan melunak dan membentuk kristobalit pada 1270oC. Silika mempunyai banyak polimorf sehingga perubahan fasa akan terjadi bila memanaskan silica, selain itu juga disertai dengan perubahan volume yang cukup berarti. Hal ini akan menyebabkan masalah jika memanaskan material yang mengandung kwarsa. Penggunaan refraktori silica penggunaannya terus menurun, hal ini disebabkan oleh perubahan-perubahan yang terjadi pada teknologi steelmaking dimana membutuhkan refraktori yang mampu mengatasi temperature yang lebih tinggi. Selain itu juga masalah kesehatan yang berkaitan dengan handling silica (silikosis) juga turut menyumbang pada penurunan popularitasnya. Properti umum dari refraktori silica adalah sebagai berikut: Masih dapat menanggung beban sampai mendekati titik leburnya. Hanya sedikit menyusut sampai 1600oC.
Tahan terhadap korosi leburan Fe dan slag asam
Insulator yang baik.
Sensitif terhadap kejut panas pada 600oC.
Bila terkena uap air dalam waktu yang lama dapat menyebabkan hancur (crumbling).
Debu SiO2 dapat menyebabkan maslah kesehatan (Silikosis).
Refraktori Berdasarkan Bentuk Berdasarkan bentuknya maka refaktori dapat dibagi atas: 1.
Formed Refaktori Terdapat berbagai bentuk refaktori tergantung penggunaannya yaitu apakah di
lantai, di dinding,di atap dll. Bentuk tersebut antara lain:
Straight
Arch
Wedge
Key
Plain dll
2.
Unformed Refaktori ( Momolithic refactory ) Unformed refaktori adalah refaktori yang dipasarkan tanpa dibentuk terlebih
dahulu. Ada beberapa jenis Unformed refaktori antara lain:
Plastik refaktri
Ramming mixture
Gunning mixture
Castables 2.1 Plastik refaktori Plastik refaktori umumnya mengandung lempung pengikat yang tinggi
sehingga dapat di bentuk dengan cara plastis. Bahan ini diproduksi siap pakai, dapat dipakai atau dibentuk dengan tangan tanpa air. 2.2 Ramming mixture Produk ini diperdagangkan dalam bentuk gumpalan yang rapuh, agak basah atau kering dan dipadatkan dengan mesin vibrator. Terdapat ramming alumina tinggi dengan komposisi corunndum dan lempung plastis, kadang - kadang dicampur alumina phospat sebagai pengikat refaktori. Juga terdapat dalam campuran asam dengan kuarsa, refaktori basa berbasis magnesia dan chrom. Sebagai pengikat
campuran ini maka ditambahkan waterglass, magnesium sulfat, sodium bichromat atau tar, khususnya untuk ramming mixture dolomit. 2.3 Gunning mixture Gunning mixture terdiri atas butiran halus yang dalam pemakaiannya di semprotkan ke permukaan yang di inginkan dengan tekanan udara melalui hose. Pada ujung nozzle biasanya ditambahkan air atau cairan untuk pengikat. Dengan cara ini kehilangan bahan harusdiperhitungkan. Tungku baru biasanya dibiasanya dilapisi dengan gunning mixture, biasanya pipa boiler dilapisi dengan SiC dengan cara semprot. 2.4 Castable refaktori Castable asalah agregat dengan penambahan binder hidrolik seperti semen portland atau semen alumina. Agregat ini dibuat jadi “Castable” dengan menambahkan kemudian dituang. Bahan akan disetting pada suhu kamar. Komposisi yang sering dipakai adalah alumina tinggi, mulilite dan fireclay. Senyawa basa atau asam dengan sodium silikat atau magnesium sulfat dapat juga dibuat castable dengan menambahkan air. 3.
Refaktori Mortar Refaktori mortar termasuk Unformed refaktori, namun diberi klasifikasi lain
karena umumnya refaktori mortar dipakai terutama untuk menyambung “shape refaktori” dan bukan dipakai untuk membuat suatu bentuk tertentu. Ada beberapa syarat untuk refaktori mortar antara lain:
Bila dicampur air harus dapat membentuk konsistensi yang diperlukan, dapat mengisi spasi antar bata.
Mempunyai refaktoriness dan refaktoriness under load yang memadai.
Mortar harus “setting” dan menempel ke bata, dan mempunyaikuat mekanis tinggi setelah kering dan pada suhu tinggi.
Thermal expansion, suisut kering dan susut bakar harus sama dengan bata yang disemen.
Refaktori mortar dapat terdiri dari kalsium aluminat. “low cement”, Ultra-low cement, bahkan zero cement. Dalam hal ini pengikat yang dipakai adalah silika koloid, pospat kering, dan silika kering.
Refaktori Berdasarkan Berat Jenis Berdasarkan berat jenis refaktori dapat dibagi atas: 1.
Refaktori berat (heavy weight refactory) Disebut heavy weight bila bulk densitynya > 1,3 g/cm³. Umumnya dipakai
untuk refaktori yang langsung terkena panas/suhu tinggi. 2.
Refaktori ringan ( light weight refactory ) Disebut light weight bila densitynya ≤ 1,3 g/cm³. Bila refaktori digunakan
pada suhu < 1000ºC maka refaktori tersebut refaktori isolasi. Dan bila digunakan pada suhu > 1000ºC, refaktori disebut light weight refactory. Refaktori Berdasarkan Cara Pembuatan Berdasarkan cara pembuatan maka refaktori dibagi atas: 1.
Burned refaktori Termasuk kedalam burned refaktori adalah refaktori silika, fire clay, alumina
tinggi dll. 2.
Unburned refaktori Termasuk kedalam unburned refaktori adalah refaktori magnesit dan refaktori
karbon. Fungsi Refaktori Bahan refaktori memenuhi beberapa fungsi di seluruh cabang industri sebagai berikut: 1. Mengisolasi ruangan reaksi panas dengan sekelilingnya untuk mencegah kehilangan panas seminimum mungkin.
2. Menyimpan panas di regenerator untuk kemuadian dilepaskan 3. Untuk transfer panas pada rekuperator. 4. Memisahkan ruang api dengan ruang reaksi. 5. Melindungi bagian lain yang lebih mahal seperti steel dll. 6. Suhu proses pada industri tertentu berkisar antara 1000-1800ºC Fungsi Utama Refaktori Berdasarkan fungsi utama refaktori dapat dibagi atas: 1. Refaktori kerja Refaktori ini disebut juga “heavy refactory” atau”working refactory”. Fungsi utamanya adalah menahan suhu tinggi tanpa lebur. 2. Refaktori Isolasi Fungsi utamanya adalah untuk mencegah panas keluar dari sistem. Aplikasi Refaktori Refaktori dipakai pada industri yang beroperasi pada suhu tinggi antara lain: 1. Industri Semen 2. Industri Baja 3. Industri Pupuk 4. Industri Timah 5. Industri Nikel 6. Industri Kapur 7. Industri Keramik 8. Industri Aluminium 9. Industri Kertas 10. Industri Kimia 11. Industri Gelas 12. Industri Perminyakan
Syarat Refraktori : 1.
Pada Temperatur tinggi dan berbagai kondisi :
2.
Mampu mempertahankan bentuk
3.
Mampu mempertahankan kekuatan
Tujuan Penggunaan Refraktori : Menahan laju perpindahan panas didalam dapur ( furnace ) ke luar. Sifat - Sifat Refraktori : Sifat Fisik dan Termal : 1. Titik Lebur 2. Porositas 3. Kekuatan Panas Dan Dingin 4. Termal Ekspansi 5. Konduktivitas Panas 6. Temperatur Sintering 7. Penyusutan Sifat - Sifat Refraktori yang Diperlukan : 1. Tahan terhadap suhu tinggi 2. Tahan terhadap Perubahan suhu yang mendadak 3. Tahan terhadap lelehan terak logam, kaca, gas panas 4. Tahan terhadap beban pada kondisi perbaikan 5. Tahan terhadap beban dan gaya abrasi 6. Menghemat panas 7. Memiliki koefisien ekspansi panas yang rendah 8. Tidak boleh mencemari bahan yang bersinggungan
Kebutuhan Refraktori : 1.
2.
Komsumsi refraktori :
Laju pertumbuhan industri
pengguna refraktori
terutama besi dan baja
Produksi dalam negeri :
kualitas dan kuantitas
belum mampu mencukupi
sehingga masih
Tantangan dan peluang : 1.
Mengenali refraktori dan teknologi pembuatanya.
2.
Bahan galian industry: dolomit , kaolin, bauksit alumina, silica banyak terdapat di Indonesia.
Pembagian refraktori : Menurut ketahanannya terhadap temperatur : 1.
Refraktori Biasa (1580 - 1770oC )
2.
Refraktori Tinggi (1780 – 2000oC)
3.
Refraktori Super ( diatas 2000oC)
